一种原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层及其制备方法

摘要

本发明涉及一种原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层及其制备方法，属于激光熔覆技术领域，所述原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层由掺杂原位自生纳米TiC颗粒的金属材料制成，所述原位自生纳米TiC颗粒的平均粒度为30‑80nm，所述原位自生纳米TiC颗粒的含量从涂层底部起沿涂层厚度方向逐渐增强。本发明方法制备的复合涂层，涂层底部低TiC含量，沿涂层厚度方向TiC含量逐渐增加，到涂层表面高TiC含量的梯度涂层，使涂层表面具有高性能，又使涂层与基体界面具有高的相容性，无界面结合问题。

说明书

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层及其制备方法。

背景技术

激光熔覆制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料是目前抗磨熔覆涂层的重要研究方向。根据增强陶瓷颗粒加入方式的不同可将其分为外加颗粒增强和原位自生颗粒增强。以前，通常采用直接加入陶瓷颗粒(如WC、TiC、TiN、SiC等)的方法，这种方法由于外加陶瓷相颗粒尺寸较大，且与母相金属的热物性参数差异很大，熔覆层凝固收缩受到母相金属的阻碍，相容性较差，增强相与母相金属界面热力学上不稳定，影响界面结合，往往成为裂纹源，此外，陶瓷与母相金属界面会形成不良反应物和附着物，使该界面成为低强度低韧性的弱界面，在重载荷作用下，陶瓷颗粒有可能剥离母相金属，削弱了整体强化效果。

所谓原位自生，即在一定条件下，通过元素与元素或元素与化合物间的放热反应，原位形成陶瓷增强相。由于这种陶瓷相引入的特殊性，因而不仅它的尺寸细小，而且颗粒表面无污染，与母相具有较好的润湿性，界面结合强度高。这两个特点使得原位自生颗粒增强复合材料较传统的外加增强相复合材料具有更高的强度和模量，及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。因此，激光熔覆制备原位自生颗粒增强涂层是现在研究的一个热点。

随着纳米科技的发展，纳米材料研究的重点已由单一的纳米粉体制备逐渐转向纳米块体和纳米涂层的开发与应用。纳米涂层借助于纳米粒子的表面效应和小尺寸效应，改变固体材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，赋予了材料表面良好的功能性能和结构力学性能。

TiC陶瓷属面心立方晶型，密度小，熔点高，导热性能好，硬度大，化学稳定好，高温抗氧化性好，是一种常用的复合涂层强化相。

基于上述原理，我们提出一种激光熔覆原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层及其制备方法。

发明内容

本发明的目的就在于将激光熔覆纳米颗粒增强复合涂层、激光熔覆原位自生颗粒增强复合涂层及激光熔覆梯度涂层三者融合在一起，以经高能球磨的纯钛、石墨和母相金属混合粉末为熔覆材料，在经预处理的基体表面对混合粉末压片预置后，实现激光熔覆原位自生制备纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明提供了一种原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层，所述涂层由掺杂原位自生纳米TiC颗粒的金属材料制成，所述原位自生纳米TiC颗粒是由Ti粉末和石墨粉末在母相金属粉末环境下，采用压片预置法预置在基体上，并通过激光熔覆方式原位生成的，平均粒度为30-80nm，所述原位自生纳米TiC颗粒的含量从涂层底部起沿涂层厚度方向逐渐增强。

作为本发明的进一步优化方案，所述Ti粉末、石墨粉末和母相金属粉末的质量百分比为4x:x:(100-5x)，其中x为1-6。

本发明还提供了上述原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：将Ti粉、石墨粉末和母相金属粉末进行球磨，混合均匀，获得混合粉末；

步骤S2：对基体进行预处理，采用压片预置法在预处理后的基体表面进行混合粉末的预置，获得预置粉末；

步骤S3：对所述预置粉末进行激光熔覆，获得原位自生成纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1000-2000W，光斑直径为2-4mm，激光扫描速度为3-6mm/s，采用氩气对熔池进行气体保护，载气量3-8L/min；

在该参数下的激光熔覆过程中，经高能量密度激光束的作用，混合粉末中的Ti与石墨在熔池中原位反应生成TiC增强颗粒，涂层中大部分TiC增强颗粒为小于100nm的纳米颗粒，且平均粒度为30-80nm，同时，小密度的TiC增强颗粒在熔池中呈现上浮效应，从而获得涂层底部低TiC含量，沿涂层厚度方向TiC含量逐渐增强；到涂层表面高TiC含量的梯度涂层，且越到涂层表面，就有相对更高比例的纳米团聚体TiC颗粒和经长大达到亚微米尺寸的TiC颗粒。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中，Ti粉、石墨粉末和母相金属粉末的原始平均粒度分别为10-50μm，1-5μm和30-60μm。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中，球磨工艺参数：保护气体为Ar气，球磨介质为不锈钢球或氧化锆陶瓷球，球料比为5-20:1，转速为300-500r/min，球磨时间为20-40h，经球磨后的细小混合粉末的平均粒度为0.2-1μm。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中，母相金属粉末为镍基合金、钴基合金、铁基合金、铜基合金粉末中的一种。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中，基体预处理的方法为：将基体表面依次进行砂纸打磨、除油和干燥处理。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中，压片预置混合粉末涂层的厚度为0.2-2mm。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明熔覆材料为Ti、石墨和母相金属混合粉末，在熔覆过程中Ti和石墨原位反应生成TiC增强颗粒，为原位自生TiC增强颗粒复合涂层，与外加颗粒增强复合涂层相比，具有增强相尺寸小，增强颗粒表面无污染，与母相金属具有较好的润湿性，界面结合强度高等优点，涂层具有更高的强度和模量，及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。

(2)本发明通过对原始Ti、石墨和母相金属粉末长时间高能球磨获得混合均匀且颗粒细小的混合粉末，从而在激光熔覆过程中生成纳米尺度的TiC增强颗粒，数量众多的高熔点纳米TiC增强颗粒在熔池中首先凝固，大大增加了整个熔池凝固过程中形核率，阻止母相晶粒长大，从而使涂层中母相晶粒更细小，在纳米颗粒增强效应及母相细晶强化双重作用下，与常规更大尺寸TiC颗粒增强复合涂层相比，可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能，并使涂层保持较高的韧性。

(3)本发明基于小密度TiC增强颗粒在激光熔池中的上浮效应，通过控制激光熔覆工艺参数控制熔池寿命，使TiC增强颗粒获得适中的上浮时间，获得涂层底部低TiC含量，沿涂层厚度方向TiC含量逐渐增加，到涂层表面高TiC含量的梯度涂层，既能使涂层表面具有高性能，又能使涂层与基体界面具有高的相容性，没有界面结合问题。

(4)本发明采用压片法对激光熔覆混合粉末进行预置，与目前常用的热喷涂法和粘结法预置工艺，不但避免了因热喷涂法所带来的部分粉末提前氧化和消耗大量燃料的问题，而且消除了粉末粘结法当中的粘结剂引起的杂质污染问题，可以实现粉末的绿色预置。

(5)本发明熔覆对象中有相当比例的石墨，粉末具有高吸光性，激光利用率高。

(6)本发明将原位自生颗粒增强复合涂层、纳米颗粒增强复合涂层及梯度涂层三者融合在一起，通过激光熔覆制备原位自生成纳米颗粒增强梯度复合涂层，能将这三类涂层优点集于一身，从而极大的提高所制备涂层的综合性能。

附图说明

图1是本发明的激光熔覆原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层示意图；

图中：1、母相金属粉末；2、石墨粉末；3、Ti粉；4、母相金属(液体)；5、Ti(液体)；6、TiC增强颗粒；7、母相金属(固体)

具体实施方式

下面对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，为本发明的原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层的制备过程，包括以下步骤：

步骤S1：利用高能球磨机，在球磨机中通入保护气体Ar气，采用不锈钢球或氧化锆陶瓷球为球磨介质，按照球料比为5-20:1的比例，将质量百分比为4x:x:(100-5x)(其中x＝1-6)的Ti粉3、石墨粉末2和母相金属粉末1放入高能球磨机中在转速为300-500r/min条件下球磨20-40h，获得混合均匀且颗粒细小的混合粉末，混合粉末的平均粒度为0.2-1μm；

原始Ti粉为纯度99.9％的不规则状，平均粒度为10-50μm，石墨粉末为纯度99.5％的团絮状，平均粒度为1-5μm，母相金属粉末为纯度99.9％球形Ni粉，平均粒度为30-60μm；

步骤S2：对基体依次进行砂纸打磨、除油、干燥处理；采用压片预置法在基体表面实现混合粉末的绿色预置，在压力机上通过模具压制成型，压片预置混合粉末涂层厚度为0.2-2mm；

步骤S4：激光熔覆：将预置粉末的基体置入激光加工机床，通入载气量3-8L/min的氩气对熔池进行气体保护，控制激光熔覆工艺参数为：激光功率1000-2000W，光斑直径2-4mm，激光扫描速度3-6mm/s，对预置粉末进行激光熔覆获得原位自生成纳米TiC颗粒6增强梯度复合涂层。

在激光熔覆过程中的高能量密度激光束作用下，混合粉末中的Ti与石墨在熔池中原位反应生成的TiC增强颗粒的平均尺度为30-80nm。

本实施的激光熔覆原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层，基于小密度TiC增强颗粒在熔池中的上浮效应，获得涂层底部TiC体积百分比不到5％，沿涂层厚度方向TiC含量逐渐增强，到涂层表面TiC体积百分比超过25％的梯度涂层。

涂层中大部分TiC增强颗粒为小于100nm的纳米颗粒，沿涂层厚度方向，越到涂层上部，有相对更高比例的纳米团聚体TiC颗粒和经长大达到亚微米尺寸的TiC颗粒。

实施例1

为了验证本发明制备获得的涂层性能，设置本实施例，以上述方法制备原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层，具体参数和步骤如下：

步骤S1：利用德国Fritsch公司型号为Pulverisette 6的高能球磨机，在球磨机中通入保护气体Ar气，采用氧化锆陶瓷球为球磨介质，按照球料比为10:1的比例，将质量百分比为16:4:80的Ti粉3、石墨粉末2和母相金属粉末1放入高能球磨机中在转速为400r/min条件下球磨30h，获得混合均匀且颗粒细小的混合粉末，混合粉末的平均粒度为0.2-1μm；

步骤S2：选用尺寸为100×30×10mm

步骤S3：激光熔覆：选用上海团结普瑞玛激光设备有限公司的SLCF-X12×25型多功能CO

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。